摘要：山區(qū)低等級公路平、縱、橫坡指標(biāo)低，回頭曲線較多，半徑很小，在橋位服從路線走向的前提下，常常會出現(xiàn)集彎、坡、斜于一體的橋梁，使其受力計算復(fù)雜難以掌握。因此，以某三級公路設(shè)計為例，對山區(qū)低等級公路橋梁布設(shè)方式及受力形式做了一些探討。

關(guān)鍵詞：山區(qū)；公路；橋梁設(shè)計；小半徑

中圖分類號：U442.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1009-7767（2016）01-0056-04

山區(qū)低等級公路的建設(shè)不同于平原、丘陵地區(qū)，如山區(qū)地形復(fù)雜，縱、橫地面線起伏大，高程差別明顯，跨越V型深溝的幾率大，平曲線長度占路線總長度比例較大，回頭曲線多，橋梁往往設(shè)置在曲線處，轉(zhuǎn)彎半徑小，超高大，平曲線范圍內(nèi)橋梁變寬，施工條件惡劣，便道難以鋪設(shè)等等，這些因素增大了橋梁布設(shè)難度且梁體受力不明確，因此必須根據(jù)實(shí)際條件，多方面加以考慮，若忽略了某一控制因素，橋梁的布置和受力就會不合理甚至難以施工。

1工程概況

某山區(qū)三級公路，路線總長度70多km，平曲線比例大且半徑小，占路線總長近70%，極小半徑達(dá)21.55m；地面高差大，坡度變化頻繁，起點(diǎn)高程為2116m，終點(diǎn)高程為600m，高差約為1516m；路線最大縱坡為9.06%，已達(dá)極限縱坡值；大部分橋梁跨越山脊間深溝，縱、橫向坡面高差大、坡度值小，較陡峭，高差近50m。尤其是路線后半段，公路沿半坡面展線，回頭彎多，不穩(wěn)定斜坡、陡崖等地形分布較廣。山區(qū)公路建設(shè)受地形、經(jīng)濟(jì)等條件的限制，一般是順著山形地勢設(shè)置路線線位，線位往往具有唯一性。受此影響，路線布設(shè)時平、縱、橫3個方面都受到約束，在橋位服從路線走向的前提下，常常會出現(xiàn)集彎、坡、斜于一體的橋梁，因此設(shè)計中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形、地質(zhì)之間的關(guān)系。

2橋梁布設(shè)方式

2.1上部構(gòu)造的選取

上部結(jié)構(gòu)一般采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑的裝配式結(jié)構(gòu)，然而路線走廊帶兩側(cè)山高坡陡，沿線只有1條舊路可以使用（該路修建年代久遠(yuǎn)，路面寬度較窄，急彎多，原材料及大跨預(yù)制梁運(yùn)輸困難，大型機(jī)具難以進(jìn)入，雨天路面濕滑，山體滑坡、滾石時常發(fā)生，給施工帶來了很大的困難及危險性），在同樣方案下山區(qū)橋梁的建設(shè)難度要遠(yuǎn)高于平原地區(qū)，因此不宜選用跨徑較大的上部結(jié)構(gòu)。山區(qū)公路平曲線比例大，超高緩和段不可避免出現(xiàn)在橋上，如果選用空心板或小箱梁，架梁時1片梁4個支點(diǎn)不易調(diào)平，容易造成支座撅起脫空，使受力不均勻，故上部斷面宜優(yōu)先采用T梁。當(dāng)平曲線半徑較小時，單跨內(nèi)預(yù)制梁內(nèi)、外側(cè)邊梁梁長差別大，跨中矢高較大，因此宜做整體現(xiàn)澆板梁或現(xiàn)澆箱梁，以適應(yīng)路線線形及路基寬度要求。

2.2下部構(gòu)造的選取

山區(qū)山脊之間沖溝較多且兩側(cè)邊坡較陡，整體呈V字型，溝底較深，一般大于路基最大填土高度，且路基低側(cè)會形成多級放坡甚至無限放坡，因此必須設(shè)橋跨越。位于傾角較大的山體斜坡上的橋臺不能采用臺前設(shè)有填土錐坡的橋臺，橋梁布孔時應(yīng)盡量采用無放坡要求的橋臺（如U型橋臺、薄壁臺等），并適當(dāng)增加橋梁長度，使橋臺伸進(jìn)陡坡一定距離。橋臺兩側(cè)翼墻與路基擋墻順接，以避免因橋臺的設(shè)置而引起臺前、臺側(cè)大面積放坡產(chǎn)生的不穩(wěn)定性。橋墩不宜設(shè)置在沖溝溝底處。因?yàn)橛昙竞樗紫葏R集到山谷深溝處，水流集中、流速快、流量大，會直接沖刷橋墩和樁基，造成基礎(chǔ)裸露，而且水流夾雜著較大直徑的滾石直接撞擊橋墩，對橋墩是毀滅性的沖擊，會嚴(yán)重危害橋梁安全。故在設(shè)計時，應(yīng)將橋墩布置在兩側(cè)斜坡上，并且增強(qiáng)其抗沖刷、抗撞擊的能力。由于縱、橫向地面線高差懸殊，橋墩施工時為保護(hù)環(huán)境及施工安全，應(yīng)選取雙向坡度相對較緩的地段，還要保證原地面不大填大挖，以避免開挖過大導(dǎo)致山體失穩(wěn)危及人民生命和財產(chǎn)的安全，而且環(huán)境一旦破壞將難以修復(fù)。特殊情況下樁頂會錯層設(shè)置，這樣墩高不同，墩柱的剛度差會造成下部構(gòu)造受力不均而產(chǎn)生沉降差，故在設(shè)計中應(yīng)保證樁底入巖深度及足夠的有效樁長。彎橋平曲線半徑較小時應(yīng)加大墩中心間距，以增加抗扭剛度，改善梁體內(nèi)力分布，保證恒、活載作用下的梁體穩(wěn)定。

3關(guān)于橋位處于小半徑平曲線范圍的考慮

1）山區(qū)低等級公路小半徑橋梁居多，但只有在特殊情況下，地形條件受到限制時才會采用極限值。如該項目中，大、中、小橋普遍都是小半徑，特別是位于回頭彎處的平曲線半徑甚至小于30m，已經(jīng)超出規(guī)范的要求，對于工程要求和地理環(huán)境而言，又沒有可以進(jìn)行比較的線位及方案。

2）處于極小半徑處的橋梁，上部構(gòu)造存在內(nèi)外弧差，彎扭耦合現(xiàn)象明顯，內(nèi)、外側(cè)梁體內(nèi)力受力不明確，內(nèi)、外側(cè)支座反力差別大等現(xiàn)象。山區(qū)地形復(fù)雜、抗震等級高，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全要求更高，這就需要采用合理的構(gòu)造設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算來保證橋梁的安全。

3）曲線段橋梁由于內(nèi)側(cè)加寬，使橋梁起終點(diǎn)橋?qū)挷煌?，此時可分兩種情況考慮：第一，平曲線半徑較大，路線較順直，橋梁起終點(diǎn)范圍內(nèi)橋?qū)捵兓炔淮?，可以采用裝配式梁橋等寬布梁設(shè)計，護(hù)欄線形沿實(shí)際路線邊緣布設(shè)；第二，平曲線半徑較小，橋梁起終點(diǎn)范圍內(nèi)橋?qū)捵兓却?，此時全橋范圍采取等寬橋設(shè)計，則路基窄處橋梁橫向伸出路基外緣較長，路基無法和橋臺順接，美觀性較差，此時可將裝配式橋梁按分聯(lián)、分跨變等寬設(shè)計或按實(shí)際路線線形及寬度采用現(xiàn)澆變寬橋設(shè)計。實(shí)際設(shè)計中往往幾種控制因素同時存在，因此必須考慮周全，才能設(shè)計出較滿意的橋梁方案。

4小半徑橋梁驗(yàn)算

曲線橋與直橋受力上最重要的區(qū)別就是存在彎扭耦合作用。在彎扭耦合作用下，彎橋具有沿某一變形不動點(diǎn)變形的趨勢，其在豎向荷載和溫度變化下的變形較復(fù)雜，梁體的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及支座的排布均會對內(nèi)力產(chǎn)生影響，導(dǎo)致內(nèi)力分布不均勻。故在設(shè)計中，應(yīng)區(qū)別設(shè)置上部構(gòu)造內(nèi)、外側(cè)普通鋼筋，以保證受力合理、均衡并采取增設(shè)防止梁體整體偏移及內(nèi)側(cè)上翹的構(gòu)造措施。

4.1模型的建立

小半徑橋梁受力復(fù)雜，內(nèi)力分布不明確，特別是對于極小半徑的情況（如R=30m），可參考借鑒的資料甚少，為保證設(shè)計合理和安全，按R=∞直橋，R=30m彎橋2種方案對比計算考慮，得出上部構(gòu)造的內(nèi)力分布、支座反力大小以及梁體撓度情況，以幫助指導(dǎo)設(shè)計。該彎橋?yàn)?跨13m連續(xù)結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆實(shí)心板，支座采用圓形板式橡膠支座，編號由內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)分別為1～7號。借助有限元軟件MidasCivil建立板單元模型模擬計算分析。板單元相比梁單元能夠計算橫向內(nèi)力分布，體現(xiàn)彎橋彎扭耦合效應(yīng)，與實(shí)際模型較接近，不需要計算橫截面形心、剪力中心、翼板有效寬度，截面的畸變、翹曲自動考慮[1]。計算恒載、活載2種荷載工況對上部的受力影響，分析1～7號支座反力大小及分布規(guī)律，主梁外、內(nèi)弧側(cè)邊緣撓度及橫向內(nèi)力分布形式及規(guī)律，用于指導(dǎo)設(shè)計中支座的選取、布置及抗彎主筋、抗剪主筋、箍筋的配置。

4.2主梁支座反力分析

計算結(jié)果見圖3～6。由于橋梁結(jié)構(gòu)為中心對稱，所以兩橋支座反力數(shù)據(jù)只以0號臺和1號墩做對比分析。首先對比由恒載引起的支座反力差異（見圖3、5）。橋臺處直橋在恒載情況下，支座反力主要集中在1、7號支座上，占總恒載比率約為79.4%，且1、7號支座反力大小幾乎相等；引起2、6號支座出現(xiàn)負(fù)反力主要是由于翼緣長度為1.5m，實(shí)心板厚度為60cm，1、7號支座充當(dāng)杠桿支點(diǎn)，翼緣自重引起2、6號支座上方板底上翹，引起支座脫空，進(jìn)而使1、7號支座壓力增大，2～6號內(nèi)部支座反力減小。對于R=30m彎橋而言，1、7號支座反力占總恒載比率約為77.4%，由于外弧側(cè)弧長較長，重心向外弧側(cè)偏移，致使7號支座反力比內(nèi)弧側(cè)1號支座反力大52.3%。2種橋型中1、7號支座反力總和占總恒載比例相近，但彎橋7號支座分擔(dān)了更多的上部恒載。橋墩處支座反力橫向差別較小，分布較均衡，這是由于0號臺、2號墩分擔(dān)了部分恒載重力，所以直橋上1、7號支座反力幾乎相等，而彎橋7、1號支座反力差比率卻為17.9%。由圖4、6可知，在活載作用下，最不利工況下車道布載在外弧側(cè)，致使7號支座反力最大，1號支座反力最小；直、彎橋反力總體分布趨勢相近；橋墩處反力分布要比橋臺處均勻，所有支座均沒有出現(xiàn)負(fù)反力，但是彎橋橋臺處內(nèi)弧側(cè)1號支座反力很小，僅為24.1kN，而7號支座反力則達(dá)到562.7kN，差值比率達(dá)95.7%，而相同位置直橋?yàn)?0.8%。故活載在彎橋上引起的最大反力差較直橋多14.9%，設(shè)計時要注意彎橋內(nèi)弧側(cè)支座可能出現(xiàn)的負(fù)反力狀態(tài)。

4.3主梁內(nèi)力分析

為便于比較分析上部內(nèi)力分布，現(xiàn)計算實(shí)心板1、2、3號3個斷面縱向彎矩，見圖7～10。為便于對比觀察，將彎矩方向反向。直橋在恒載作用下，邊、中跨1、2、3號3個斷面縱向彎矩相差不大，最不利活載工況下，內(nèi)、外弧側(cè)彎矩最大相差50.58%。彎橋在外荷載作用下，會同時產(chǎn)生彎矩和扭矩，并且相互影響，使上部截面處于彎扭耦合的受力狀態(tài)。恒載工況下中跨內(nèi)、外弧側(cè)彎矩最大相差18.94%，相比直橋多達(dá)18.38%；最不利活載工況下內(nèi)、外弧側(cè)彎矩最大相差63.33%，相比直橋多達(dá)12.75%。由此可知，彎橋在恒、活載工況下，內(nèi)、外弧側(cè)縱向彎矩差距均較大且長度不同，故在設(shè)計配筋時，應(yīng)對內(nèi)、外弧側(cè)配筋率加以區(qū)別對待，尤其是外弧側(cè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，用加強(qiáng)配筋（如加大鋼筋型號、加密箍筋間距等措施）的方式來抵抗橫向彎矩分配不均帶來的影響，避免因全橋統(tǒng)一配筋而使外弧側(cè)配置不足而內(nèi)弧側(cè)配筋率過高的現(xiàn)象發(fā)生。

4.4主梁撓度分析

豎向位移是評價橋面板梁彎曲程度的一種直觀方式，圖11～14為上部結(jié)構(gòu)撓度分布云圖。由于彎扭耦合的影響，彎橋的變形比同樣跨徑的直橋要大，如直線橋外邊緣恒、活載豎向撓度為7.326，6.773mm，彎橋外邊緣恒、活載豎向撓度為10.574，9.965mm，彎橋比直橋分別大約30.7%，32%。因此曲率半徑越小、橋越寬，這一趨勢就會越明顯。

5主要結(jié)論與建議

山區(qū)橋梁設(shè)計有其特殊性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)情況具體問題具體分析，才能設(shè)計出安全合理的橋梁方案。筆者計算中只單獨(dú)考慮了恒、活載的影響，而沒有考慮預(yù)應(yīng)力、溫度、收縮徐變等其他因素的綜合影響。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)及支座受力特點(diǎn)，在彎橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)對其進(jìn)行全面的整體空間受力計算分析，只采用桿系結(jié)構(gòu)或橫向分布等簡化方法計算，精度不能滿足設(shè)計要求，必須考慮在縱向彎曲、橫向扭轉(zhuǎn)耦合作用下，結(jié)合自重、預(yù)應(yīng)力、溫度、收縮徐變和汽車荷載等因素，對梁體進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點(diǎn)，才能完成安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。彎橋支座反力與直橋相比，分布形式是曲線外弧側(cè)大、內(nèi)弧側(cè)小，內(nèi)弧側(cè)甚至可能出現(xiàn)負(fù)反力，造成支座脫空?？紤]由于扭矩造成的支座反力差，還應(yīng)考慮曲線橋變形引起的變位方向的差異。所以支座的選取應(yīng)能滿足最不利工況下的最大支座反力和不同方向變位的需求，并在驗(yàn)算后確定是否選用拉力支座。對于極小半徑彎橋應(yīng)提高上部構(gòu)造整體性和穩(wěn)定性，盡量選擇橫向連接緊密、可靠、剛度大的結(jié)構(gòu)形式，才能保證在彎扭耦合受力狀況下上部結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)整體的受力均衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛俊穎.橋梁工程軟件midascivil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013：41-43.

作者：韓清海 單位：中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司